JP2015220328A - Metal nitride material for thermistor, manufacturing method thereof, and film-type thermistor sensor - Google Patents

Metal nitride material for thermistor, manufacturing method thereof, and film-type thermistor sensor Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal nitride material for thermistors, which can be directly deposited on a film or the like and has high resistance and high B constant, a method for manufacturing metal nitride materials, and a film-type thermistor sensor.SOLUTION: The metal nitride material for thermistors comprises a metal nitride expressed by the following general formula: SiCr(NO)(where 0.70≤x/(x+y)≤0.98, 0.45≤z≤0.58, x+y+z=1, and 0<w<0.30). In X-ray photoelectron spectroscopy, spectra having a peak on an energy side, the Si peak of which is lower than that of SiN, are observed, however, in X-ray diffraction, a diffraction peak which enables the identification of a crystal phase is not observed, where B constant is 1700 to less than 6300 K. A method for manufacturing the metal nitride material for thermistors comprises a film growth step of depositing a film by using a Si vapor source and a Cr vapor source in an atmosphere containing nitrogen and oxygen by a reactive plasma vapor deposition method.

Description

本発明は、フィルム等に直接成膜可能なサーミスタ用金属窒化物材料及びその製造方法並びにフィルム型サーミスタセンサに関する。   The present invention relates to a metal nitride material for a thermistor that can be directly formed on a film or the like, a manufacturing method thereof, and a film type thermistor sensor.

温度センサ等に使用されるサーミスタ材料は、高精度、高感度のために、高いB定数が求められている。従来、このようなサーミスタ材料には、Mn,Co,Fe等の遷移金属酸化物が一般的である(特許文献1〜3参照)。また、これらのサーミスタ材料では、安定なサーミスタ特性を得るために、550℃以上の焼成等の熱処理が必要である。   A thermistor material used for a temperature sensor or the like is required to have a high B constant for high accuracy and high sensitivity. Conventionally, transition metal oxides such as Mn, Co, and Fe are generally used for such thermistor materials (see Patent Documents 1 to 3). In addition, these thermistor materials require heat treatment such as firing at 550 ° C. or higher in order to obtain stable thermistor characteristics.

また、上記のような金属酸化物からなるサーミスタ材料の他に、例えば特許文献4では、一般式:M(但し、MはTa,Nb,Cr,Ti及びZrの少なくとも1種、AはAl,Si及びBの少なくとも1種を示す。0.1≦x≦0.8、0<y≦0.6、0.1≦z≦0.8、x+y+z=1)で示される窒化物からなるサーミスタ用材料が提案されている。また、この特許文献4では、Ta−Al−N系材料で、0.5≦x≦0.8、0.1≦y≦0.5、0.2≦z≦0.7、x+y+z=1としたものだけが実施例として記載されている。このTa−Al−N系材料では、上記元素を含む材料をターゲットとして用い、窒素ガス含有雰囲気中でスパッタリングを行って作製されている。また、必要に応じて、得られた薄膜を350〜600℃で熱処理を行っている。 In addition to the thermistor material composed of the metal oxide as described above, for example, in Patent Document 4, the general formula: M x A y N z (where M is at least one of Ta, Nb, Cr, Ti, and Zr) , A represents at least one of Al, Si, and B. 0.1 ≦ x ≦ 0.8, 0 <y ≦ 0.6, 0.1 ≦ z ≦ 0.8, x + y + z = 1) A thermistor material made of nitride has been proposed. Moreover, in this patent document 4, it is Ta-Al-N type material, 0.5 <= x <= 0.8, 0.1 <= y <= 0.5, 0.2 <= z <= 0.7, x + y + z = 1. Only those described above are described as examples. This Ta—Al—N-based material is produced by performing sputtering in a nitrogen gas-containing atmosphere using a material containing the above elements as a target. Moreover, the obtained thin film is heat-processed at 350-600 degreeC as needed.

特開2000−068110号公報JP 2000-068110 A 特開2000−348903号公報JP 2000-348903 A 特開2006−324520号公報JP 2006-324520 A 特開2004−319737号公報JP 2004-319737 A

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
近年、樹脂フィルム上にサーミスタ材料を形成したフィルム型サーミスタセンサの開発が検討されており、フィルムに直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれている。すなわち、フィルムを用いることで、フレキシブルなサーミスタセンサが得られることが期待される。さらに、0.1mm程度の厚さを持つ非常に薄いサーミスタセンサの開発が望まれているが、従来はアルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ0.1mmへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、フィルムを用いることで非常に薄いサーミスタセンサが得られることが期待される。
The following problems remain in the conventional technology.
In recent years, development of a film type thermistor sensor in which a thermistor material is formed on a resin film has been studied, and development of a thermistor material that can be directly formed on a film is desired. That is, it is expected that a flexible thermistor sensor can be obtained by using a film. Furthermore, although development of a very thin thermistor sensor having a thickness of about 0.1 mm is desired, conventionally, a substrate material using ceramics such as alumina is often used. When thinned, there were problems such as being very brittle and fragile, but it is expected that a very thin thermistor sensor can be obtained by using a film.

しかしながら、樹脂材料で構成されるフィルムは、一般的に耐熱温度が150℃以下と低く、比較的耐熱温度の高い材料として知られるポリイミドでも200℃程度の耐熱性しかないため、サーミスタ材料の形成工程において熱処理が加わる場合は、適用が困難であった。上記従来の酸化物サーミスタ材料では、所望のサーミスタ特性を実現するために550℃以上の焼成が必要であり、フィルムに直接成膜したフィルム型サーミスタセンサを実現できないという問題点があった。そのため、フィルム等に直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれているが、上記特許文献4に記載のサーミスタ材料でも、所望のサーミスタ特性を得るために、必要に応じて、得られた薄膜を350〜600℃で熱処理する必要があった。また、このサーミスタ材料では、Ta−Al−N系材料の実施例だけが記載されており、Ta−Al−N系材料以外の実施例が無いため、他の材料系における実際の抵抗値やB定数については不明であった。特に、Si−N系の材料について、Ta−Al−N系材料と同様に反応性スパッタで成膜したとしても、窒化が不十分で緻密な膜が形成できないと考えられ、高いB定数を得ることが難しい。   However, since a film made of a resin material generally has a heat resistant temperature as low as 150 ° C. or less, and polyimide known as a material having a relatively high heat resistant temperature has only a heat resistance of about 200 ° C., a thermistor material forming process In the case where heat treatment is applied, application is difficult. The conventional oxide thermistor material requires firing at 550 ° C. or higher in order to realize desired thermistor characteristics, and there is a problem that a film type thermistor sensor directly formed on a film cannot be realized. Therefore, it is desired to develop a thermistor material that can be directly formed on a film or the like, but even with the thermistor material described in Patent Document 4, the obtained thin film is obtained as necessary in order to obtain desired thermistor characteristics. It was necessary to perform heat treatment at 350 to 600 ° C. In this thermistor material, only examples of Ta-Al-N-based materials are described, and there is no example other than Ta-Al-N-based materials. The constant was unknown. In particular, even if a Si—N material is formed by reactive sputtering in the same manner as a Ta—Al—N material, it is considered that a dense film cannot be formed due to insufficient nitriding, and a high B constant is obtained. It is difficult.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、フィルム等に直接成膜することができ、高抵抗でかつ高B定数を有したサーミスタ用金属窒化物材料及びその製造方法並びにフィルム型サーミスタセンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and can be directly formed on a film or the like, and has a high resistance and a high B constant, a metal nitride material for a thermistor, a manufacturing method thereof, and a film type thermistor. An object is to provide a sensor.

本発明者らは、窒化物材料の中でもSi−N系に着目し、鋭意、研究を進めたところ、絶縁体であるSiは、最適なサーミスタ特性(B定数:1000〜6000K程度)を得ることが難しいが、Siサイトを電気伝導を向上させる特定の金属元素で置換すると共に、特定の結晶性の組織とすることで、非焼成で良好なB定数が得られることを見出した。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
The inventors focused on the Si—N system among the nitride materials and made extensive research. As a result, Si 3 N 4 as an insulator has optimum thermistor characteristics (B constant: about 1000 to 6000 K). However, it was found that a favorable B constant can be obtained without firing by replacing the Si site with a specific metal element that improves electrical conduction and a specific crystalline structure.
Therefore, the present invention has been obtained from the above findings, and the following configuration has been adopted in order to solve the above problems.

すなわち、第1の発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料は、サーミスタに用いられる金属窒化物材料であって、一般式:SiCr(N1−w(0.70≦x/(x+y)≦0.98、0.45≦z≦0.58、x+y+z=1、0<w<0.30)で示される金属窒化物からなり、X線光電子分光分析においてSiのピークがSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルが観察されると共に、X線回折において結晶相を同定可能な回折ピークが観察されず、25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から求めたB定数が1700K以上6300K未満であることを特徴とする。 That is, the metal nitride material for a thermistor according to the first invention is a metal nitride material used in a thermistor, the general formula: Si x Cr y (N 1 -w O w) z (0.70 ≦ x /(X+y)≦0.98, 0.45 ≦ z ≦ 0.58, x + y + z = 1, 0 <w <0.30), and the peak of Si in X-ray photoelectron spectroscopy analysis with spectrum having a peak at a lower energy side than the Si 3 N 4 is observed, the diffraction peaks identifiable crystalline phases in X-ray diffraction is not observed, from the resistance values between 25 ° C. and 50 ° C. The obtained B constant is 1700K or more and less than 6300K.

このサーミスタ用金属窒化物材料では、サーミスタに用いられる金属窒化物材料であって、一般式:SiCr(N1−w(0.70≦x/(x+y)≦0.98、0.45≦z≦0.58、x+y+z=1、0<w<0.30)で示される金属窒化物からなり、X線光電子分光分析においてSiのピークがSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルが観察されると共に、X線回折において結晶相を同定可能な回折ピークが観察されず、25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から求めたB定数が1700K以上6300K未満であるので、高抵抗で良好な高B定数を有したサーミスタとして用いることができる。
このサーミスタ用金属窒化物材料は、X線光電子分光分析(XPS)においてSiのピークがSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルが観察される。すなわち、XPSで短周期的な構造および原子間の結合状態を分析した場合に、Si結晶構造と同様の結晶構造、結合状態を有していると共にSiの結晶構造におけるSiサイトにTiが入ってスペクトルのピークが低いエネルギー側にシフトしていることが確認される。また、X線回折において結晶相を同定可能な回折ピークが観察されないことから、XRDで長周期的な構造を分析した場合には、特定の長周期の結晶構造を持たず、非晶質的な構造を有していることがわかる。このように、本発明のサーミスタ用金属窒化物材料では、窒化珪素の結晶中にTiが固溶した短周期的な結晶で構成され、組織全体としては長周期の結晶構造を構成せず、非晶質的な組織構造を有している。また、酸素(O)が含まれることで、結晶内の窒素欠陥を酸素が埋める、もしくは、格子間酸素が導入される等の効果によって耐熱性が向上する。
This metal nitride material for a thermistor is a metal nitride material used for the thermistor, and has a general formula: Si x Cr y (N 1-w O w ) z (0.70 ≦ x / (x + y) ≦ 0. 98, 0.45 ≦ z ≦ 0.58, x + y + z = 1, 0 <w <0.30), and the peak of Si is lower than Si 3 N 4 in X-ray photoelectron spectroscopy A spectrum having a peak on the energy side is observed, and a diffraction peak capable of identifying a crystal phase is not observed in X-ray diffraction, and a B constant obtained from respective resistance values at 25 ° C. and 50 ° C. is 1700 K or more. Since it is less than 6300K, it can be used as a thermistor having a high resistance and a good high B constant.
This metal nitride material for thermistor has a spectrum in which the peak of Si has a peak on the energy side lower than Si 3 N 4 in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). That is, when the short-period structure and the bonding state between atoms are analyzed by XPS, the Si 3 N 4 crystal structure has the same crystal structure and bonding state as the Si 3 N 4 crystal structure, and the Si 3 N 4 crystal structure has the Si 3 N 4 crystal structure. It is confirmed that Ti enters the site and the peak of the spectrum is shifted to the lower energy side. In addition, since a diffraction peak capable of identifying a crystal phase is not observed in X-ray diffraction, when a long-period structure is analyzed by XRD, it does not have a specific long-period crystal structure and is amorphous. It can be seen that it has a structure. Thus, the metal nitride material for thermistors of the present invention is composed of a short-period crystal in which Ti is dissolved in a silicon nitride crystal, and the entire structure does not form a long-period crystal structure. It has a crystalline structure. In addition, when oxygen (O) is contained, the heat resistance is improved by an effect such as filling nitrogen defects in the crystal with oxygen or introducing interstitial oxygen.

なお、上記「x/(x+y)」(すなわち、Si/(Si+Cr))が0.70未満であると、B定数が小さくなりすぎ、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「x/(x+y)」(すなわち、Si/(Si+Cr))が0.98を超えると、抵抗値が高くなりすぎ、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「z」(すなわち、(N+O))が0.45未満であると、窒化不足となり、抵抗値及びB定数が低くなりすぎ、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「z」(すなわち、(N+O))が0.58を超えると、本発明の下記製法では作製することができない。これは、窒素サイトにおける欠陥がない場合のSiの理論値が4/7(=0.5714・・・)であり、理論値以上の窒素を導入することができないこと、また、窒素サイトにおける欠陥を酸素が全て補ったとしても、理論値以上の窒素、酸素(すなわち、(N+O))を導入することができないことに由来する。4/7を超えるz量については、格子間に軽元素(窒素、酸素)が導入されたことと、XPS分析における軽元素(窒素、酸素)の定量精度とに起因するものである。
また、上記「w」(すなわち、O/(N+O))が0.3以上であると、窒素量に対する酸素量が多すぎるので、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
When the above “x / (x + y)” (ie, Si / (Si + Cr)) is less than 0.70, the B constant becomes too small to be applied as a thermistor material.
Further, when the above “x / (x + y)” (that is, Si / (Si + Cr)) exceeds 0.98, the resistance value becomes too high and exhibits extremely high insulation, and thus cannot be applied as a thermistor material.
Further, if the “z” (that is, (N + O)) is less than 0.45, nitridation is insufficient, the resistance value and the B constant become too low, and cannot be applied as a thermistor material.
Further, when the above “z” (that is, (N + O)) exceeds 0.58, it cannot be produced by the following production method of the present invention. This is because the theoretical value of Si 3 N 4 when there is no defect at the nitrogen site is 4/7 (= 0.5714...), And nitrogen exceeding the theoretical value cannot be introduced. Even if all the defects at the site are compensated for by oxygen, this is because nitrogen and oxygen (that is, (N + O)) exceeding the theoretical value cannot be introduced. The z amount exceeding 4/7 is attributed to the introduction of light elements (nitrogen, oxygen) between the lattices and the quantitative accuracy of light elements (nitrogen, oxygen) in XPS analysis.
In addition, when the “w” (that is, O / (N + O)) is 0.3 or more, since the amount of oxygen with respect to the amount of nitrogen is too large, the resistivity is very high and the thermistor exhibits extremely high insulation. Not applicable as a material.

第2の発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料は、第1の発明において、膜状に形成されていることを特徴とする。   The metal nitride material for a thermistor according to the second invention is characterized in that it is formed in a film shape in the first invention.

第3の発明に係るフィルム型サーミスタセンサは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルム上に第1または第2の発明のサーミスタ用金属窒化物材料で形成された薄膜サーミスタ部と、少なくとも前記薄膜サーミスタ部の上又は下に形成された一対のパターン電極とを備えていることを特徴とする。
すなわち、このフィルム型サーミスタセンサでは、絶縁性フィルム上に第1又は第2の発明のサーミスタ用金属窒化物材料で薄膜サーミスタ部が形成されているので、比較的低温で成膜可能であって高B定数の薄膜サーミスタ部により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルムを用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
また、従来、アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ0.1mmへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、例えば、厚さ0.1mmの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサを得ることができる。
A film-type thermistor sensor according to a third aspect of the invention includes an insulating film, a thin film thermistor portion formed on the insulating film with the metal nitride material for the thermistor of the first or second aspect, and at least the thin film thermistor. And a pair of pattern electrodes formed above or below the portion.
That is, in this film type thermistor sensor, the thin film thermistor portion is formed of the metal nitride material for the thermistor of the first or second invention on the insulating film. The B constant thin film thermistor portion can use an insulating film with low heat resistance such as a resin film, and a thin and flexible thermistor sensor having good thermistor characteristics.
Conventionally, substrate materials using ceramics such as alumina are often used. For example, when the thickness is reduced to 0.1 mm, the substrate material is very brittle and easily broken. Therefore, for example, a very thin film type thermistor sensor having a thickness of 0.1 mm can be obtained.

第4の発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法は、第1又は第2の発明のサーミスタ用金属窒化物材料を製造する方法であって、Siの蒸発源と、Crの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着法により成膜する成膜工程を有していることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法では、Siの蒸発源と、Crの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着(RPD:Reactive Plasma Deposition)法により成膜する成膜工程を有しているので、十分に窒化され窒化珪素の結晶中にCrが固溶していると共に組織全体としては長周期の結晶構造を構成せず、非晶質的な組織構造を有している上記SiCrNOからなる本発明のサーミスタ用金属窒化物材料を成膜することができる。特に、この製法では、室温程度の低温で成膜が可能になる。
A method for manufacturing a metal nitride material for a thermistor according to a fourth invention is a method for manufacturing a metal nitride material for a thermistor according to the first or second invention, wherein an Si evaporation source, a Cr evaporation source, It has the film-forming process which forms into a film by the reactive plasma vapor deposition method in nitrogen and oxygen containing atmosphere.
That is, in this method for producing a metal nitride material for the thermistor, a reactive plasma deposition (RPD) method is used in an atmosphere containing nitrogen and oxygen using an Si evaporation source and a Cr evaporation source. The film has a film forming process, so that it is sufficiently nitrided and Cr is dissolved in the crystal of silicon nitride, and the entire structure does not constitute a long-period crystal structure, but an amorphous structure The metal nitride material for thermistors of the present invention comprising the above-described SiCrNO having a thickness can be formed. In particular, this manufacturing method enables film formation at a low temperature of about room temperature.

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料によれば、サーミスタに用いられる金属窒化物材料であって、一般式:SiCr(N1−w(0.70≦x/(x+y)≦0.98、0.45≦z≦0.58、x+y+z=1、0<w<0.30)で示される金属窒化物からなり、X線光電子分光分析においてSiのピークがSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルが観察されると共に、X線回折において結晶相を同定可能な回折ピークが観察されず、25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から求めたB定数が1700K以上6300K未満であるので、高抵抗で良好な高B定数を有したサーミスタとして用いることができる。
また、本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法によれば、Siの蒸発源と、Crの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着(RPD:Reactive Plasma Deposition)法により成膜する成膜工程を有しているので、上記SiCrNOからなる本発明のサーミスタ用金属窒化物材料を成膜することができる。
さらに、本発明に係るフィルム型サーミスタセンサによれば、絶縁性フィルム上に本発明のサーミスタ用金属窒化物材料で薄膜サーミスタ部が形成されているので、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルムを用いて良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。さらに、基板材料が、薄くすると非常に脆く壊れやすいセラミックスでなく、樹脂フィルムであることから、厚さ0.1mmの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサが得られる。
The present invention has the following effects.
That is, according to the metal nitride material for a thermistor according to the present invention, the metal nitride material used for the thermistor has the general formula: Si x Cr y (N 1-w O w ) z (0.70 ≦ x /(X+y)≦0.98, 0.45 ≦ z ≦ 0.58, x + y + z = 1, 0 <w <0.30), and the peak of Si in X-ray photoelectron spectroscopy analysis A spectrum having a peak on the energy side lower than that of Si 3 N 4 is observed, and a diffraction peak capable of identifying a crystal phase is not observed in X-ray diffraction. From the respective resistance values at 25 ° C. and 50 ° C. Since the obtained B constant is 1700K or more and less than 6300K, it can be used as a thermistor having a high resistance and a good high B constant.
Further, according to the method for producing a metal nitride material for thermistor according to the present invention, reactive plasma deposition (RPD) is performed in an atmosphere containing nitrogen and oxygen using an evaporation source of Si and an evaporation source of Cr. ) Method, the metal nitride material for thermistor of the present invention made of SiCrNO can be formed.
Furthermore, according to the film type thermistor sensor according to the present invention, since the thin film thermistor portion is formed of the metal nitride material for thermistor of the present invention on the insulating film, the insulating film having low heat resistance such as a resin film. Can be used to obtain a thin and flexible thermistor sensor having good thermistor characteristics. Furthermore, since the substrate material is not a ceramic that is very brittle and fragile when thin, but a resin film, a very thin film type thermistor sensor having a thickness of 0.1 mm can be obtained.

本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料及びその製造方法並びにフィルム型サーミスタセンサの一実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すSi−Cr−(N+O)系3元系相図である。1 is a Si—Cr— (N + O) -based ternary phase diagram showing a composition range of a thermistor metal nitride material in an embodiment of a thermistor metal nitride material, a method for manufacturing the thermistor metal film material, and a film type thermistor sensor according to the present invention. is there. 本実施形態において、フィルム型サーミスタセンサを示す斜視図である。In this embodiment, it is a perspective view which shows a film type thermistor sensor. 本実施形態において、フィルム型サーミスタセンサの製造方法を工程順に示す斜視図である。In this embodiment, it is a perspective view which shows the manufacturing method of a film type thermistor sensor in order of a process. 反応性プラズマ蒸着(RPD)装置の内部構成を示す簡易的な正面断面図である。It is simple front sectional drawing which shows the internal structure of a reactive plasma vapor deposition (RPD) apparatus. 本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料及びその製造方法並びにフィルム型サーミスタセンサの実施例において、サーミスタ用金属窒化物材料の膜評価用素子を示す正面図及び平面図である。In the Example of the metal nitride material for thermistors which concerns on this invention, its manufacturing method, and a film type thermistor sensor, it is the front view and top view which show the element | device for film | membrane evaluation of the metal nitride material for thermistors. 本発明に係る実施例において、X線光電子分光分析(XPS)におけるSiのスペクトルのプロファイルを示すグラフである。In the Example which concerns on this invention, it is a graph which shows the profile of the spectrum of Si in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). 本発明に係る実施例及び比較例において、25℃抵抗率とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between 25 degreeC resistivity and B constant. 本発明に係る実施例及び比較例において、Si/(Si+Cr)比とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between Si / (Si + Cr) ratio and B constant. 本発明に係る実施例において、X線回折(XRD)の結果を示すグラフである。In the Example which concerns on this invention, it is a graph which shows the result of X-ray diffraction (XRD). 本発明に係る実施例の断面SEM写真である。It is a cross-sectional SEM photograph of the Example which concerns on this invention.

以下、本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料及びその製造方法並びにフィルム型サーミスタセンサにおける一実施形態を、図1から図3を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。   Hereinafter, an embodiment of a metal nitride material for a thermistor according to the present invention, a manufacturing method thereof, and a film type thermistor sensor will be described with reference to FIGS. In the drawings used for the following description, the scale is appropriately changed as necessary to make each part recognizable or easily recognizable.

本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料は、サーミスタに用いられる金属窒化物材料であって、一般式:SiCr(N1−w(0.70≦x/(x+y)≦0.98、0.45≦z≦0.58、x+y+z=1、0<w<0.30)で示される金属窒化物からなり、X線光電子分光分析においてSiのピークがSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルが観察されると共に、X線回折において結晶相を同定可能な回折ピークが観察されず、組織全体としては長周期の結晶構造を構成せず、非晶質的な組織構造を有しており、25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から求めたB定数が1700K以上6300K未満である。 The metal nitride material for a thermistor of this embodiment is a metal nitride material used for the thermistor, and has a general formula: Si x Cr y (N 1-w O w ) z (0.70 ≦ x / (x + y)) ≦ 0.98, 0.45 ≦ z ≦ 0.58, x + y + z = 1, 0 <w <0.30), and the peak of Si is Si 3 N 4 in X-ray photoelectron spectroscopy. A spectrum having a peak on the lower energy side is observed, and a diffraction peak capable of identifying a crystal phase is not observed in X-ray diffraction, and the entire structure does not form a long-period crystal structure, and is amorphous. It has a qualitative structure, and the B constant determined from the respective resistance values at 25 ° C. and 50 ° C. is 1700K or more and less than 6300K.

このサーミスタ用金属窒化物材料は、図1に示すように、Si−Cr−(N+O)系3元系相図における点A,B,C,Dで囲まれる領域内の組成を有している金属窒化物である。
なお、上記点A,B,C,Dの各組成比(x,y,z)(atm%)は、A(16.50,38.50,45.00),B(1.10,53.90,45.00),C(0.84,41.16,58.00),D(12.60,29.40,58.00)である。
本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料は、後述する製法によって膜状に形成されている。
As shown in FIG. 1, the metal nitride material for the thermistor has a composition in a region surrounded by points A, B, C, and D in the Si—Cr— (N + O) ternary phase diagram. Metal nitride.
The composition ratios (x, y, z) (atm%) of the points A, B, C, and D are A (16.50, 38.50, 45.00), B (1.10, 53). .90, 45.00), C (0.84, 41.16, 58.00), D (12.60, 29.40, 58.00).
The metal nitride material for thermistors of this embodiment is formed into a film by a manufacturing method described later.

次に、本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料を用いたフィルム型サーミスタセンサについて説明する。このフィルム型サーミスタセンサ1は、図2に示すように、絶縁性フィルム2と、該絶縁性フィルム2上に上記サーミスタ用金属窒化物材料で形成された薄膜サーミスタ部3と、少なくとも薄膜サーミスタ部3上に形成された一対のパターン電極4とを備えている。   Next, a film type thermistor sensor using the metal nitride material for the thermistor of this embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the film type thermistor sensor 1 includes an insulating film 2, a thin film thermistor section 3 formed on the insulating film 2 from the metal nitride material for the thermistor, and at least the thin film thermistor section 3. And a pair of pattern electrodes 4 formed thereon.

上記絶縁性フィルム2は、例えばポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルム2としては、他にPET:ポリエチレンテレフタレート,PEN:ポリエチレンナフタレート等でも構わない。また、絶縁性フィルム2としては、ポリイミド等の200℃以上の耐熱性を有するフィルムが好適である。
上記一対のパターン電極4は、例えばCr膜とAu膜との積層金属膜でパターン形成され、薄膜サーミスタ部3上で互いに対向状態に配した櫛形パターンの一対の櫛形電極部4aと、これら櫛形電極部4aに先端部が接続され基端部が絶縁性フィルム2の端部に配されて延在した一対の直線延在部4bとを有している。
The insulating film 2 is formed in a band shape with, for example, a polyimide resin sheet. In addition, as the insulating film 2, PET: polyethylene terephthalate, PEN: polyethylene naphthalate, or the like may be used. Moreover, as the insulating film 2, the film which has 200 degreeC or more heat resistance, such as a polyimide, is suitable.
The pair of pattern electrodes 4 is formed by patterning a laminated metal film of, for example, a Cr film and an Au film, and a pair of comb-shaped electrode portions 4a having a comb-shaped pattern arranged on the thin film thermistor portion 3 so as to face each other, and these comb-shaped electrodes A tip end portion is connected to the portion 4a, and a base end portion is disposed on the end portion of the insulating film 2 and has a pair of linear extending portions 4b extending.

また、一対の直線延在部4bの基端部上には、リード線の引き出し部としてAuめっき等のめっき部4cが形成されている。このめっき部4cには、リード線の一端が半田材等で接合される。さらに、めっき部4cを含む絶縁性フィルム2の端部を除いて該絶縁性フィルム2上にポリイミドカバーレイフィルム5が加圧接着されている。なお、ポリイミドカバーレイフィルム5の代わりに、ポリイミドやエポキシ系の樹脂材料層を印刷で絶縁性フィルム2上に形成しても構わない。   On the base end portion of the pair of linearly extending portions 4b, a plating portion 4c such as Au plating is formed as a lead wire lead-out portion. One end of a lead wire is joined to the plating portion 4c with a solder material or the like. Further, the polyimide coverlay film 5 is pressure-bonded on the insulating film 2 except for the end of the insulating film 2 including the plated portion 4c. In place of the polyimide coverlay film 5, a polyimide or epoxy resin material layer may be formed on the insulating film 2 by printing.

このサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法及びこれを用いたフィルム型サーミスタセンサ1の製造方法について、図3を参照して以下に説明する。   A manufacturing method of the metal nitride material for the thermistor and a manufacturing method of the film type thermistor sensor 1 using the same will be described below with reference to FIG.

まず、本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法は、Siの蒸発源と、Crの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着(RPD)法により成膜する成膜工程を有している。この成膜工程のRPD法は、窒素ガスと酸素ガスとを反応ガスとして装置内に導入し、図4に示すように、プラズマガン11からSiの蒸発源12及びCrの蒸発源13へArプラズマ14を照射して溶解、昇華、イオン化させ、上部に設置された基板(絶縁性フィルム2)に窒化膜の薄膜を堆積させる物理蒸着法である。この成膜に用いているRPD装置10は、圧力勾配型Arプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置であって、プラズマガン11を2台搭載し、SiとCrとを独立に制御して蒸着させることができる。   First, in the method of manufacturing a metal nitride material for a thermistor of this embodiment, a film is formed by a reactive plasma deposition (RPD) method in an atmosphere containing nitrogen and oxygen using an Si evaporation source and a Cr evaporation source. It has a film forming process. In the RPD method of this film forming process, nitrogen gas and oxygen gas are introduced into the apparatus as reaction gases, and Ar plasma is supplied from the plasma gun 11 to the Si evaporation source 12 and the Cr evaporation source 13 as shown in FIG. 14 is a physical vapor deposition method in which a thin film of a nitride film is deposited on a substrate (insulating film 2) placed on the top by melting, sublimating and ionizing 14. The RPD apparatus 10 used for this film formation is an ion plating apparatus using a pressure gradient type Ar plasma gun, which is equipped with two plasma guns 11 and deposits Si and Cr by independently controlling them. be able to.

より具体的には、まず、例えば図3の(a)に示す厚さ50μmのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム2上を、RPD装置10内の基板回転支持部15に装着する。この基板回転支持部15は、成膜中に軸線回りに回転駆動される。
なお、図4の符号において、16Aは金属Siを入れたるつぼ、16Bは金属Crを入れたるつぼ、17は反応ガス導入口である。
More specifically, first, for example, the insulating film 2 of a polyimide film having a thickness of 50 μm shown in FIG. 3A is mounted on the substrate rotation support portion 15 in the RPD device 10. The substrate rotation support unit 15 is rotationally driven around the axis during film formation.
In FIG. 4, 16A is a crucible containing metal Si, 16B is a crucible containing metal Cr, and 17 is a reaction gas inlet.

さらに、装置内を排気して真空に保持しながら、
・炉内雰囲気温度:室温
・蒸発源12:金属Si
・蒸発源12に対するプラズマガン放電電力:10kW
・蒸発源13:金属Cr
・蒸発源13に対するプラズマガン放電電力:5〜9kW
・放電ガス流量:アルゴン(Ar)ガス 80sccm
・反応ガス流量:窒素(N)ガス 50〜100sccm
酸素(O)ガス 10〜30sccm
という条件のもと、絶縁性フィルム2の表面に、所定の組成および目標平均層厚の(Cr,Si)(N,O)層からなる複合窒化物層を蒸着形成することにより、サーミスタ用金属窒化物材料で形成された薄膜サーミスタ部3を成膜する。
また、メタルマスクを用いて所望のサイズにサーミスタ用金属窒化物材料を成膜して薄膜サーミスタ部3を形成する。
Furthermore, while evacuating the inside of the device and keeping it in a vacuum,
-Furnace atmosphere temperature: room temperature
Evaporation source 12: metal Si
-Plasma gun discharge power for the evaporation source 12: 10 kW
Evaporation source 13: metallic Cr
-Plasma gun discharge power to the evaporation source 13: 5 to 9 kW
-Discharge gas flow rate: Argon (Ar) gas 80sccm
Reaction gas flow rate: nitrogen (N 2) gas 50~100sccm
Oxygen (O 2 ) gas 10-30 sccm
The metal for the thermistor is formed by vapor-depositing a composite nitride layer comprising a (Cr, Si) (N, O) layer having a predetermined composition and a target average layer thickness on the surface of the insulating film 2 A thin film thermistor portion 3 made of a nitride material is formed.
The thin film thermistor portion 3 is formed by forming a metal nitride material for the thermistor into a desired size using a metal mask.

次に、スパッタ法にて、例えばCr膜を20nm形成し、さらにAu膜を200nm形成する。さらに、その上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃で5分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のAuエッチャント及びCrエッチャントによりウェットエッチングを行い、図3の(c)に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部4aを有したパターン電極4を形成する。なお、絶縁性フィルム2上に先にパターン電極4を形成しておき、その櫛形電極部4a上に薄膜サーミスタ部3を成膜しても構わない。この場合、薄膜サーミスタ部3の下にパターン電極4の櫛形電極部4aが形成されている。   Next, by sputtering, for example, a Cr film is formed to 20 nm, and an Au film is further formed to 200 nm. Further, after applying a resist solution thereon with a bar coater, prebaking is performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, and after exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions are removed with a developer, and post baking is performed at 150 ° C. for 5 minutes. Patterning is performed at. Thereafter, unnecessary electrode portions are wet-etched with a commercially available Au etchant and Cr etchant, and as shown in FIG. 3C, pattern electrodes 4 having desired comb-shaped electrode portions 4a are formed by resist stripping. . Alternatively, the pattern electrode 4 may be formed on the insulating film 2 first, and the thin film thermistor portion 3 may be formed on the comb electrode portion 4a. In this case, the comb electrode portion 4 a of the pattern electrode 4 is formed under the thin film thermistor portion 3.

次に、図3の(d)に示すように、例えば厚さ50μmの接着剤付きのポリイミドカバーレイフィルム5を絶縁性フィルム2上に載せ、プレス機にて150℃,2MPaで10分間加圧し接着させる。さらに、図3の(e)に示すように、直線延在部4bの端部を、例えばAuめっき液によりAu薄膜を2μm形成してめっき部4cを形成する。   Next, as shown in FIG. 3 (d), for example, a polyimide coverlay film 5 with an adhesive having a thickness of 50 μm is placed on the insulating film 2 and pressed by a press at 150 ° C. and 2 MPa for 10 minutes. Adhere. Further, as shown in FIG. 3E, an end portion of the linearly extending portion 4b is formed with a 2 μm Au thin film by using, for example, an Au plating solution to form a plated portion 4c.

なお、複数のフィルム型サーミスタセンサ1を同時に作製する場合、絶縁性フィルム2の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部3及びパターン電極4を上述のように形成した後に、大判シートから各フィルム型サーミスタセンサ1に切断する。
このようにして、例えばサイズを25×3.6mmとし、厚さを0.1mmとした薄いフィルム型サーミスタセンサ1が得られる。
When a plurality of film type thermistor sensors 1 are manufactured simultaneously, after forming the plurality of thin film thermistor portions 3 and the pattern electrodes 4 on the large sheet of the insulating film 2 as described above, each film type thermistor sensor is formed from the large sheet. Cut to 1.
In this way, for example, a thin film thermistor sensor 1 having a size of 25 × 3.6 mm and a thickness of 0.1 mm is obtained.

このように本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料では、一般式:SiCr(N1−w(0.70≦x/(x+y)≦0.98、0.45≦z≦0.58、x+y+z=1、0<w<0.30)で示される金属窒化物からなり、X線光電子分光分析においてSiのピークがSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルが観察されると共に、X線回折において結晶相を同定可能な回折ピークが観察されず、組織全体としては長周期の結晶構造を構成せず、非晶質的な組織構造を有しており、25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から求めたB定数が1700K以上6300K未満であるので、高抵抗で良好な高B定数を有したサーミスタとして用いることができる。また、酸素(O)が含まれることで、結晶内の窒素欠陥を酸素が埋める、もしくは、格子間酸素が導入される等の効果によって耐熱性が向上する。 Thus, in the metal nitride material for the thermistor of the present embodiment, the general formula: Si x Cr y (N 1-w O w ) z (0.70 ≦ x / (x + y) ≦ 0.98, 0.45 ≦ z ≦ 0.58, x + y + z = 1, 0 <w <0.30). In X-ray photoelectron spectroscopic analysis, Si has a peak on the energy side lower than Si 3 N 4. In addition, a diffraction peak that can identify the crystal phase is not observed in X-ray diffraction, and the entire structure does not form a long-period crystal structure and has an amorphous structure. Since the B constant obtained from the respective resistance values at 25 ° C. and 50 ° C. is 1700 K or more and less than 6300 K, it can be used as a thermistor having a high resistance and a good high B constant. In addition, when oxygen (O) is contained, the heat resistance is improved by an effect such as filling nitrogen defects in the crystal with oxygen or introducing interstitial oxygen.

また、本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法では、Siの蒸発源と、Crの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着法により成膜する成膜工程を有しているので、十分に窒化され窒化珪素の結晶中にCrが固溶していると共に組織全体としては長周期の結晶構造を構成せず、非晶質的な組織構造を有している上記SiCrNOからなる本発明のサーミスタ用金属窒化物材料を成膜することができる。特に、この製法では、室温程度の低温で成膜が可能になる。   Further, in the method for manufacturing a metal nitride material for the thermistor according to the present embodiment, a film forming step of forming a film by reactive plasma deposition in an atmosphere containing nitrogen and oxygen using an Si evaporation source and a Cr evaporation source. As a result, it is sufficiently nitrided and Cr is dissolved in the silicon nitride crystal, and the entire structure does not constitute a long-period crystal structure, but has an amorphous structure. The thermistor metal nitride material of the present invention comprising the above-mentioned SiCrNO can be formed. In particular, this manufacturing method enables film formation at a low temperature of about room temperature.

したがって、本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料を用いたフィルム型サーミスタセンサ1では、絶縁性フィルム2上に上記サーミスタ用金属窒化物材料で薄膜サーミスタ部3が形成されているので、比較的低温で成膜可能であって高B定数の薄膜サーミスタ部3により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム2を用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
また、従来、アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ0.1mmへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本実施形態においてはフィルムを用いることができるので、例えば、厚さ0.1mmの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサを得ることができる。
Therefore, in the film type thermistor sensor 1 using the thermistor metal nitride material of the present embodiment, the thin film thermistor portion 3 is formed on the insulating film 2 from the thermistor metal nitride material. A thin and flexible thermistor sensor having good thermistor characteristics can be used with the insulating film 2 having low heat resistance such as a resin film by the thin-film thermistor portion 3 having a high B constant, which can be formed in a thin film. can get.
Conventionally, substrate materials using ceramics such as alumina are often used. For example, when the thickness is reduced to 0.1 mm, there is a problem that the substrate material is very brittle and easily broken. In this embodiment, a film is used. Therefore, for example, a very thin film type thermistor sensor having a thickness of 0.1 mm can be obtained.

次に、本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料及びその製造方法並びにフィルム型サーミスタセンサについて、上記実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を、図5から図10を参照して具体的に説明する。   Next, with respect to the metal nitride material for the thermistor according to the present invention, the manufacturing method thereof, and the film type thermistor sensor, the results of the evaluation made by the example manufactured based on the above embodiment will be specifically described with reference to FIGS. I will explain it.

<膜評価用素子の作製>
本発明の実施例及び比較例として、図5に示す膜評価用素子121を次のように作製した。なお、以下の本発明の各実施例では、SiCr(N1−wであるサーミスタ用金属窒化物を用いたものを作製した。
まず、上述したRPD法にて、様々な組成比でSi基板Sとなる熱酸化膜付きSiウエハ上に、厚さ500nmの表1に示す様々な組成比で形成されたサーミスタ用金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部3を形成した。
<Production of film evaluation element>
As an example of the present invention and a comparative example, a film evaluation element 121 shown in FIG. 5 was produced as follows. In each of the following examples of the present invention, a thermistor metal nitride which was Si x Cr y (N 1-w O w ) z was produced.
First, a metal nitride material for a thermistor formed with various composition ratios shown in Table 1 having a thickness of 500 nm on a Si wafer with a thermal oxide film to be a Si substrate S with various composition ratios by the RPD method described above. The thin film thermistor part 3 was formed.

次に、上記薄膜サーミスタ部3の上に、スパッタ法でCr膜を20nm形成し、さらにAu膜を200nm形成した。さらに、その上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃で5分のポストベークにてパターニングを行った。その後、不要な電極部分を市販のAuエッチャント及びCrエッチャントによりウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部124aを有するパターン電極124を形成した。そして、これをチップ状にダイシングして、B定数評価用の膜評価用素子121とした。
なお、比較としてSiCr(N1−wの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。
Next, a 20 nm Cr film was formed on the thin film thermistor portion 3 by sputtering, and a 200 nm Au film was further formed. Further, after applying a resist solution thereon with a spin coater, pre-baking is performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds. After exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions are removed with a developing solution, and post-baking is performed at 150 ° C. for 5 minutes. Then, patterning was performed. Thereafter, unnecessary electrode portions were wet-etched with a commercially available Au etchant and Cr etchant, and a patterned electrode 124 having a desired comb-shaped electrode portion 124a was formed by resist stripping. Then, this was diced into chips to obtain a film evaluation element 121 for B constant evaluation.
For comparison, comparative examples in which the composition ratio of Si x Cr y (N 1-w O w ) z is out of the scope of the present invention and the crystal system is different were similarly produced and evaluated.

<膜の評価>
(1)組成分析
上記RPD法にて成膜した薄膜サーミスタ部3について、X線光電子分光法(XPS)にて元素分析を行った。このXPSでは、Arスパッタにより、最表面から深さ20nmのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表1に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子%」で示している。一部のサンプルに対して、最表面から深さ100nmのスパッタ面における定量分析を実施し、深さ20nmのスパッタ面と定量精度の範囲内で同じ組成であることを確認している。
<Evaluation of membrane>
(1) Composition analysis About the thin film thermistor part 3 formed into a film by the said RPD method, the elemental analysis was performed by the X ray photoelectron spectroscopy (XPS). In this XPS, quantitative analysis was performed on the sputtered surface having a depth of 20 nm from the outermost surface by Ar sputtering. The results are shown in Table 1. In addition, the composition ratio in the following table | surface is shown by "atomic%". Quantitative analysis was performed on a sputter surface having a depth of 100 nm from the outermost surface of some samples, and it was confirmed that the composition was the same as that of the sputter surface having a depth of 20 nm within the range of quantitative accuracy.

なお、上記X線光電子分光法(XPS)は、X線源をMgKα(350W)とし、パスエネルギー:58.5eV、測定間隔:0.125eV、試料面に対する光電子取り出し角:45deg、分析エリアを約800μmφの条件下で定量分析を実施した。なお、定量精度について、N/(Si+Cr+N+O)、O/(Si+Ti+N+O)の定量精度は±2%、Si/(Si+Cr)の定量精度は±1%である。   In the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the X-ray source is MgKα (350 W), the path energy is 58.5 eV, the measurement interval is 0.125 eV, the photoelectron extraction angle with respect to the sample surface is 45 deg, and the analysis area is about Quantitative analysis was performed under the condition of 800 μmφ. As for the quantitative accuracy, the quantitative accuracy of N / (Si + Cr + N + O) and O / (Si + Ti + N + O) is ± 2%, and the quantitative accuracy of Si / (Si + Cr) is ± 1%.

(2)XPSによるSiの結合エネルギー評価
本発明の実施例について、XPSによりSi2pのスペクトルを取得し、ピーク位置よりSiの結合エネルギーを測定した結果を表1に示す。なお、一例として本発明の実施例3におけるXPSによるスペクトルのプロファイルを、図6に示す。また、本実施例の他に比較のため、バルク体のSi,Si,SiOそれぞれのXPSによるスペクトルも図6に破線で図示している。
(2) Evaluation of Si binding energy by XPS Table 1 shows the results of acquiring the Si2p spectrum by XPS and measuring the Si binding energy from the peak position for the examples of the present invention. As an example, a profile of a spectrum by XPS in Example 3 of the present invention is shown in FIG. In addition to this example, the XPS spectra of bulk Si, Si 3 N 4 , and SiO 2 are also shown by broken lines in FIG. 6 for comparison.

これらのX線光電子分光分析の結果では、本発明のいずれの実施例も、SiのピークがSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルが観察されている。すなわち、XPSで短周期的な構造および原子間の結合状態を分析すると、Si結晶構造と同様の結晶構造、結合状態が短周期的に構成されていると共にSiの結晶構造におけるSiサイトにCrが入ってスペクトルのピークが低いエネルギー側にシフトしている。したがって、窒化珪素の結晶中にCrが固溶していることがわかる。
また、Cr2pのピークにおいても、Crよりも高いエネルギー側にシフトしていることも確認しており、Crは単独元素で存在することなく、窒化珪素の結晶中にCrが固溶していることがわかる。
As a result of these X-ray photoelectron spectroscopic analyses, in each of the examples of the present invention, a spectrum in which the Si peak has a peak on the energy side lower than Si 3 N 4 is observed. That is, when the short-period structure and the bonding state between atoms are analyzed by XPS, the same crystal structure and bonding state as the Si 3 N 4 crystal structure are formed in a short period and the crystal structure of Si 3 N 4 The Cr peak shifts to the lower energy side due to Cr entering the Si site. Therefore, it can be seen that Cr is dissolved in the silicon nitride crystal.
It has also been confirmed that the peak of Cr2p is shifted to a higher energy side than Cr, and Cr does not exist as a single element, and Cr is dissolved in the silicon nitride crystal. I understand.

(3)比抵抗測定
上記RPD法にて成膜した薄膜サーミスタ部3について、4端子法にて25℃での比抵抗を測定した。その結果を表1に示す。
(4)B定数測定
膜評価用素子121の25℃及び50℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、25℃と50℃との抵抗値よりB定数を算出した。その結果を表1に示す。また、25℃と50℃との抵抗値より負の温度特性をもつサーミスタであることを確認している。
(3) Specific resistance measurement About the thin film thermistor part 3 formed into a film by the said RPD method, the specific resistance in 25 degreeC was measured by the 4 terminal method. The results are shown in Table 1.
(4) B constant measurement The resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC of the element 121 for film | membrane evaluation was measured within the thermostat, and B constant was computed from the resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC. The results are shown in Table 1. Further, it has been confirmed that the thermistor has a negative temperature characteristic from resistance values of 25 ° C. and 50 ° C.

なお、本発明におけるB定数算出方法は、上述したように25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から以下の式によって求めている。
B定数(K)=ln(R25/R50)/(1/T25−1/T50)
R25(Ω):25℃における抵抗値
R50(Ω):50℃における抵抗値
T25(K):298.15K 25℃を絶対温度表示
T50(K):323.15K 50℃を絶対温度表示
In addition, the B constant calculation method in this invention is calculated | required by the following formula | equation from each resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC as mentioned above.
B constant (K) = ln (R25 / R50) / (1 / T25-1 / T50)
R25 (Ω): resistance value at 25 ° C. R50 (Ω): resistance value at 50 ° C. T25 (K): 298.15K 25 ° C. is displayed as an absolute temperature T50 (K): 323.15K 50 ° C. is displayed as an absolute temperature

これらの結果からわかるように、SiCr(N1−wの組成比が図1に示す3元系の三角図において、点A,B,C,Dで囲まれる領域内、すなわち、「0.70≦x/(x+y)≦0.98、0.45≦z≦0.58、x+y+z=1、0<w<0.30」となる領域内の実施例全てで、抵抗率:100Ωcm以上、B定数:1700K以上のサーミスタ特性が達成されている。 As can be seen from these results, the composition ratio of Si x Cr y (N 1-w O w ) z is within the region surrounded by points A, B, C, and D in the ternary triangular diagram shown in FIG. That is, in all the examples in the region where “0.70 ≦ x / (x + y) ≦ 0.98, 0.45 ≦ z ≦ 0.58, x + y + z = 1, 0 <w <0.30”, Thermistor characteristics of resistivity: 100 Ωcm or more and B constant: 1700 K or more are achieved.

上記結果から25℃での抵抗率とB定数との関係を示したグラフを、図7に示す。また、Si/(Si+Cr)比とB定数との関係を示したグラフを、図8に示す。これらのグラフから、Si/(Si+Cr)=0.7〜0.98の領域であって、XPS分析でSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルであるものは、25℃における比抵抗値が100Ωcm以上、B定数が1700K以上の高抵抗かつ高B定数の領域が実現できている。なお、図8のデータにおいて、同じSi/(Si+Cr)比に対して、B定数がばらついているのは、結晶中の窒素量及び酸素量が異なる、もしくは窒素欠陥、酸素欠陥等の格子欠陥量が異なるためである。 FIG. 7 shows a graph showing the relationship between the resistivity at 25 ° C. and the B constant from the above results. A graph showing the relationship between the Si / (Si + Cr) ratio and the B constant is shown in FIG. From these graphs, a spectrum having a peak on the energy side lower than Si 3 N 4 in the XPS analysis in the region of Si / (Si + Cr) = 0.7 to 0.98 is obtained at 25 ° C. A high resistance and high B constant region having a specific resistance value of 100 Ωcm or more and a B constant of 1700 K or more can be realized. In the data of FIG. 8, the B constant varies for the same Si / (Si + Cr) ratio. The amount of nitrogen and oxygen in the crystal are different, or the amount of lattice defects such as nitrogen defects and oxygen defects. This is because they are different.

表1に示す比較例3は、N/(Si+Cr+N+O)が45%に満たない領域であり、金属が窒化不足の結晶状態になっている。この比較例では、B定数及び抵抗値が共に非常に小さく、金属的振舞いに近いことがわかった。また、表1に示す比較例1,2は、Si/(Si+Cr)<0.70の領域であり、25℃における比抵抗値が100Ωcm未満、B定数が1000K未満であり、低抵抗かつ低B定数の領域であった。   Comparative Example 3 shown in Table 1 is a region where N / (Si + Cr + N + O) is less than 45%, and the metal is in a crystalline state with insufficient nitriding. In this comparative example, it was found that both the B constant and the resistance value were very small and close to the metallic behavior. Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 1 are regions where Si / (Si + Cr) <0.70, the specific resistance value at 25 ° C. is less than 100 Ωcm, the B constant is less than 1000 K, low resistance and low B It was a constant area.

(5)薄膜X線回折(結晶相の同定)
上記RPD法にて成膜した薄膜サーミスタ部3について、結晶相の同定を行うため、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction)による分析を実施した。
なお、この薄膜X線回折は、微小角X線回折実験であり、管球をCuとし、入射角を1度とすると共に2θ=20〜130度の範囲で測定した。
(5) Thin film X-ray diffraction (identification of crystal phase)
The thin film thermistor portion 3 formed by the RPD method was analyzed by visual oblique angle X-ray diffraction (Grazing Incidence X-ray Diffraction) in order to identify the crystal phase.
This thin film X-ray diffraction was a small angle X-ray diffraction experiment, and was measured in the range of 2θ = 20 to 130 degrees with Cu as the tube, the incident angle as 1 degree.

この分析の結果、図9にXRDプロファイルの一例を示すように、基板に由来するピーク(図9中(*)のピーク)以外に特定の結晶相を示すピークが得られなかった。すなわち、XRDで長周期的に分析すると、本発明の実施例は、非晶質的な組織構造を有していることがわかる。このように、本発明のサーミスタ用金属窒化物材料は、XPSによる短周期的な分析では窒化珪素の結晶中にCrが固溶した構造であるが、XRDによる長周期的な分析では非晶質的な組織構造を有している。   As a result of this analysis, as shown in FIG. 9 as an example of the XRD profile, a peak indicating a specific crystal phase other than the peak derived from the substrate (the peak indicated by (*) in FIG. 9) was not obtained. That is, when long-term analysis is performed by XRD, it can be seen that the examples of the present invention have an amorphous structure. As described above, the metal nitride material for thermistor of the present invention has a structure in which Cr is dissolved in a silicon nitride crystal in a short period analysis by XPS, but is amorphous in a long period analysis by XRD. Has a typical organizational structure.

(6)結晶形態の評価
次に、薄膜サーミスタ部3の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きSi基板S上に140nm程度成膜された実施例3の薄膜サーミスタ部3における断面SEM写真を、図10に示す。
この実施例のサンプルは、Si基板Sをへき開破断したものを用いている。また、45°の角度で傾斜観察した写真である。
この写真からわかるように、本発明の実施例は緻密な組織であるが、柱状結晶等の形成は観測されていない。
(6) Evaluation of Crystal Form Next, as an example showing the crystal form in the cross section of the thin film thermistor section 3, the cross section SEM in the thin film thermistor section 3 of Example 3 formed on the Si substrate S with a thermal oxide film about 140 nm. A photograph is shown in FIG.
A sample obtained by cleaving and cleaving the Si substrate S is used as the sample of this example. Moreover, it is the photograph which observed the inclination at an angle of 45 degrees.
As can be seen from this photograph, examples of the present invention have a dense structure, but formation of columnar crystals or the like has not been observed.

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。   The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

1…フィルム型サーミスタセンサ、2…絶縁性フィルム、3…薄膜サーミスタ部、4,124…パターン電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Film type thermistor sensor, 2 ... Insulating film, 3 ... Thin film thermistor part, 4,124 ... Pattern electrode

Claims (4)

サーミスタに用いられる金属窒化物材料であって、
一般式:SiCr(N1−w(0.70≦x/(x+y)≦0.98、0.45≦z≦0.58、x+y+z=1、0<w<0.30)で示される金属窒化物からなり、
X線光電子分光分析においてSiのピークがSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルが観察されると共に、X線回折において結晶相を同定可能な回折ピークが観察されず、
25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から求めたB定数が1700K以上6300K未満であることを特徴とするサーミスタ用金属窒化物材料。
A metal nitride material used for the thermistor,
General formula: Si x Cr y (N 1-w O w ) z (0.70 ≦ x / (x + y) ≦ 0.98, 0.45 ≦ z ≦ 0.58, x + y + z = 1, 0 <w <0 30).
In X-ray photoelectron spectroscopic analysis, a spectrum having a Si peak having a lower energy side than Si 3 N 4 is observed, and a diffraction peak capable of identifying a crystal phase is not observed in X-ray diffraction.
A metal nitride material for a thermistor, wherein a B constant obtained from respective resistance values at 25 ° C. and 50 ° C. is 1700 K or more and less than 6300 K.
請求項1に記載のサーミスタ用金属窒化物材料において、
膜状に形成されていることを特徴とするサーミスタ用金属窒化物材料。
The thermistor metal nitride material according to claim 1,
A metal nitride material for a thermistor, characterized in that it is formed in a film shape.
絶縁性フィルムと、
該絶縁性フィルム上に請求項1または2に記載のサーミスタ用金属窒化物材料で形成された薄膜サーミスタ部と、
少なくとも前記薄膜サーミスタ部の上又は下に形成された一対のパターン電極とを備えていることを特徴とするフィルム型サーミスタセンサ。
An insulating film;
A thin film thermistor portion formed of the metal nitride material for a thermistor according to claim 1 or 2 on the insulating film;
A film type thermistor sensor comprising at least a pair of pattern electrodes formed above or below the thin film thermistor section.
請求項1または2に記載のサーミスタ用金属窒化物材料を製造する方法であって、
Siの蒸発源と、Crの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着法により成膜する成膜工程を有していることを特徴とするサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法。
A method for producing a metal nitride material for a thermistor according to claim 1 or 2,
A metal nitride material for a thermistor comprising a film forming step of forming a film by reactive plasma deposition in an atmosphere containing nitrogen and oxygen using an Si evaporation source and a Cr evaporation source Production method.
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